Les potentiels reliés aux événements (PRÉ) sont très couramment utilisés comme méthode de mesure de l’attention visuelle. Certaines composantes PRÉ comme la N2pc et la P3 sont largement considérées comme marqueurs du déploiement de l’attention. Afin d’investiguer s’il est possible de déterminer la localisation sur laquelle l’attention est dirigée ou encore la présence ou non de l’attention à une localisation donnée, une tâche d’indiçage spatial a été utilisée. L’indice indiquait l’une de quatre localisations sur laquelle les participants devaient diriger leur attention. L’indice spatial utilisé était de nature exclusivement symbolique, impliquant que l’attention devait être déplacée de façon volontaire. L’analyse des signaux ÉEG captés alors que les participants réalisaient la tâche a été effectuée en faisant usage d’une technique d’apprentissage machine. Un classificateur de type SVM (Support Vector Machine) a ainsi été utilisé afin de prédire la présence ou l’absence d’attention à une localisation en utilisant le signal ÉEG associé aux cibles et aux distracteurs. Un taux de précision de 75% (p < 0,001) a été obtenu lors de cette classification, le niveau du hasard se trouvant à 50%. Un classificateur de type DSVM (SVM à dendrogramme) a été utilisé afin de prédire le locus précis de l’attention en utilisant le signal ÉEG relié aux cibles uniquement. Dans ce problème de classification, un taux de prédiction exacte de 51,7% (p < 0,001) a été obtenu, le niveau du hasard étant de 25%. Les résultats indiquent qu’il est possible de distinguer le locus attentionnel à partir des PRÉ dans un espace de +/- 0,4 degrés d’angle visuel et ce, avec des taux de précision dépassant largement le niveau du hasard. / Event related potentials (ERP) are commonly used as a method of measuring visual attention. ERP components such as N2pc and P3 are largely considered as markers of attention deployment. In order to investigate the possibility of predicting the locus and the presence or absence of attention, a spatial cueing task was used. A cue indicated one of the four locations on which subjects had to direct their attention. The spatial cue was exclusively symbolic, implying that attention had to be oriented voluntarily. The analysis of the EEG signal which was measured as subjects carried out the task was performed using machine learning. An SVM (Support Vector Machine) classifier was used to predict the presence or absence of attention at one location, using the EEG signal associated with targets and distractors. A decoding accuracy of 75% (p < 0,001) was achieved for this classification, with a chance level of 50%. A DSVM (Dendrogram SVM) was used to predict the precise locus of attention using the EEG signal linked to targets only. In this classification problem, a decoding accuracy of 51,7% (p < 0,001) was achieved, with a chance level of 25%. These results suggest that it is possible to distinguish the locus of attention from ERPs in a +/- 0,4 degrees of visual angle space with decoding accuracies considerably above chance.

Cruciale dans les apprentissages scolaires, la mémoire de travail (MDT) se développe avec l’avancée en âge. De précédente études ont démontré que la négligence du but contribuait au faible contrôle exécutif des enfants d’âge préscolaire. Par conséquent, présenter des indices de but durant une tâche améliore les performances des enfants dans des tâches d’inhibition et de flexibilité. Paradoxalement, quasiment aucune étude ne s’est interrogée sur le rôle que pourrait jouer un défaut de maintien du but dans les faibles performances des enfants les plus jeunes lors de tâches de MDT. Dans cette thèse, ce sujet a été traité en introduisant, durant la réalisation de tâches de MDT, des indices de but pouvant être exogènes (visuels ou auditivo-verbaux), exogènes et associés à un indiçage endogène (effectuer une gestuelle porteuse de sens), ou prendre la forme d’un jeu de rôle. Les résultats ont indiqué 1) que les enfants d’âge préscolaire répétaient plus fréquemment en présence d’un indiçage visuel sans toutefois que cela n’impacte les scores de rappel ; 2) qu’une association d’un indiçage exogène à un indiçage endogène améliore la MDT des enfants ; 3) qu’effectuer en premier une condition de jeu de rôle permettait aux enfants de conserver le même niveau de performances en MDT dans une condition subséquente sans jeu de rôle. Toutefois, A) un indiçage auditivo-verbal a détérioré les performances de rappel des enfants ; B) l’effet bénéfique de l’association des indiçages exogène et endogène n’a pas été reproduit ; C) l’effet bénéfique du jeu de rôle observé dans les études d’Istomina (1948) et de Bertrand et Camos (2015) ne fut pas répliqué. / Crucial in academic learning, working memory (WM) develops with age. Previous studies have shown that goal neglect contributed to kindergarteners’ poor executive control. Hence, presenting goal cues during a task improves children's performance in inhibition and switching tasks. Paradoxically, almost no study has questioned the role that failure to maintain the goal might play in the poor performance of younger children in WM tasks. In this thesis, this topic was been treated by introducing, during the retention interval in a Brown-Peterson task and in a simple or complex span task, goal cues that can be exogenous (visual or auditory-verbal), exogenous associated to an endogenous cueing (perform meaningful gestures) or taking the form of a role play. Results showed that 1) preschoolers rehearsed more frequently with a visual cue without improvement in their recall performance; 2) an association of an exogenous cue with an endogenous cue has improved kindergarteners’ WM performance; 3) performing a role play first allowed kindergarteners to maintain the same level of WM performance during a subsequent condition without role playing. However, A) an auditory-verbal cue was detrimental to kindergarteners’ recall; B) the beneficial effect of the association of exogenous and endogenous cues was not replicated; and C) the beneficial effect of role playing observed in Istomina (1948) and Bertrand and Camos (2015) was not replicated. This thesis proposes an opening towards the study of goal maintenance in visuo-spatial complex span tasks contrary to Brown-Peterson verbal tasks.

Objectif: Cette thèse vise à étudier si l’inhibition de la douleur par l’activation de la mémoire de travail (MT) peut être rehaussée par la Stimulation Transcranienne à Courant Direct (tDCS) chez des volontaires jeunes et des personnes âgées en bonne santé. La MT permet de sélectionner l’information pertinente à une tâche et de diriger l’attention vers l’exécution de cette tâche, permettant ainsi de limiter la capture de l'attention par des distracteurs, incluant la douleur. Cependant, cette inhibition de la capture attentionnelle par la douleur puisqu’il s’agit d’un processus descendant (top-down), peut être diminuée chez les personnes âgées en raison de la réduction des capacités de la MT. La tDCS est une méthode prometteuse à cet égard puisque la stimulation anodale du cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC) gauche permet d’améliorer les capacités de la MT. Méthodes: Cette thèse comporte deux expériences menées sur quarante jeunes adultes (première étude) et quinze personnes âgées (deuxième étude). Les expériences comportent deux séances de tDCS (tDCS anodale et simulée), pendant lesquelles de la douleur et le réflexe nociceptif de flexion étaient évoqués par une stimulation électrique à la cheville, alors que les participants exécutaient une tâche n-back (0-back et 2-back). Le protocole expérimental comportait cinq conditions dont l'ordre a été contrebalancé (0-back, 2- back, douleur, 0-back avec douleur et 2-back avec douleur), et qui ont été réalisées deux fois chacune (avant tDCS et pendant tDCS). Résultats: Les résultats indiquent que la neuromodulation du DLPFC gauche permet d’améliorer l’inhibition de la douleur par la MT, autant chez les jeunes adultes que chez les personnes âgées. Cependant, le réflexe nociceptif de flexion n’a pas été modulé par l’activation de la MT, suggérant que les effets bénéfiques de la tDCS reposent sur des mécanismes supraspinaux indépendants des voies inhibitrices descendantes. Ces études ont permis l'avancement des connaissances sur les interactions entre la cognition, la douleur et l'âge et montrent comment la neuromodulation peut changer ces interactions pour améliorer l'inhibition de la douleur. Ces résultats permettront le développement de protocoles de neuromodulation pour la gestion de la douleur chez les personnes âgées. / Objective: This thesis aimed to examine whether pain inhibition by working memory (WM) engagement can be enhanced by Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) in young and older healthy volunteers. Directing attention away from painful stimuli is under the control of WM that allows the selection of task-relevant information and directing attention towards task execution. However, top-down inhibition of nociceptive activity and pain may be altered in normal aging due to decreased WM. tDCS is a promising method in this regard since anodal tDCS of the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was shown to improve WM performance. Methods: Two experiments were conducted on forty healthy (first study) and fifteen older volunteers (second study). They participated in two tDCS sessions (sham and anodal tDCS), in which the pain was evoked by electrical stimulation at the ankle. Participants performed an n-back task (0-back and 2-back) while they received random electrical stimulation to produce pain and the nociceptive flexion reflex, an index of spinal nociception. The experimental protocol comprised five counterbalanced conditions (0-back, 2-back, pain, 0-back with pain and 2-back with pain) that were performed twice (pre-tDCS baseline and during tDCS). Results: In both studies, neuromodulation of left DLPFC enhanced pain inhibition by WM. However, the nociceptive flexion reflex was not modulated by WM enhancement suggesting that improvement of pain inhibition by WM using tDCS is supraspinal and independent of descending inhibitory pathways. These studies improve our understanding of the interactions between cognition, pain and age and show how neuromodulation may change these interactions to improve pain inhibition. Findings support the development of neuromodulation protocols for pain management in older persons.

Les interfaces cerveau-machine (ICMs) nous offrent un moyen de fermer la boucle entre notre cerveau et le monde de la technologie numérique. Cela ouvre la porte à une pléthore de nouvelles applications où nous utilisons directement le cerveau comme entrée. S’il est facile de voir le potentiel, il est moins facile de trouver la bonne application avec les bons corrélats neuronaux pour construire un tel système en boucle fermée. Ici, nous explorons une tâche de suivi d’objets multiples en 3D, dans un contexte d’entraînement cognitif (3D-MOT). Notre capacité à suivre plusieurs objets dans un environnement dynamique nous permet d’effectuer des tâches quotidiennes telles que conduire, pratiquer des sports d’équipe et marcher dans un centre commercial achalandé. Malgré plus de trois décennies de littérature sur les tâches MOT, les mécanismes neuronaux sous- jacents restent mal compris. Ici, nous avons examiné les corrélats neuronaux via l’électroencéphalographie (EEG) et leurs changements au cours des trois phases d’une tâche de 3D-MOT, à savoir l’identification, le suivi et le rappel. Nous avons observé ce qui semble être un transfert entre l’attention et la de mémoire de travail lors du passage entre le suivi et le rappel. Nos résultats ont révélé une forte inhibition des fréquences delta et thêta de la région frontale lors du suivi, suivie d’une forte (ré)activation de ces mêmes fréquences lors du rappel. Nos résultats ont également montré une activité de retard contralatérale (CDA en anglais), une activité négative soutenue dans l’hémisphère contralatérale aux positions des éléments visuels à suivre. Afin de déterminer si le CDA est un corrélat neuronal robuste pour les tâches de mémoire de travail visuelle, nous avons reproduit huit études liées au CDA avec un ensemble de données EEG accessible au public. Nous avons utilisé les données EEG brutes de ces huit études et les avons analysées avec le même pipeline de base pour extraire le CDA. Nous avons pu reproduire les résultats de chaque étude et montrer qu’avec un pipeline automatisé de base, nous pouvons extraire le CDA. Récemment, l’apprentissage profond (deep learning / DL en anglais) s’est révélé très prometteur pour aider à donner un sens aux signaux EEG en raison de sa capacité à apprendre de bonnes représentations à partir des données brutes. La question à savoir si l’apprentissage profond présente vraiment un avantage par rapport aux approches plus traditionnelles reste une question ouverte. Afin de répondre à cette question, nous avons examiné 154 articles appliquant le DL à l’EEG, publiés entre janvier 2010 et juillet 2018, et couvrant différents domaines d’application tels que l’épilepsie, le sommeil, les interfaces cerveau-machine et la surveillance cognitive et affective. Enfin, nous explorons la possibilité de fermer la boucle et de créer un ICM passif avec une tâche 3D-MOT. Nous classifions l’activité EEG pour prédire si une telle activité se produit pendant la phase de suivi ou de rappel de la tâche 3D-MOT. Nous avons également formé un classificateur pour les essais latéralisés afin de prédire si les cibles étaient présentées dans l’hémichamp gauche ou droit en utilisant l’activité EEG. Pour la classification de phase entre le suivi et le rappel, nous avons obtenu un 80% lors de l’entraînement d’un SVM sur plusieurs sujets en utilisant la puissance des bandes de fréquences thêta et delta des électrodes frontales. / Brain-computer interfaces (BCIs) offer us a way to close the loop between our brain and the digital world of technology. It opens the door for a plethora of new applications where we use the brain directly as an input. While it is easy to see the disruptive potential, it is less so easy to find the right application with the right neural correlates to build such closed-loop system. Here we explore closing the loop during a cognitive training 3D multiple object tracking task (3D-MOT). Our ability to track multiple objects in a dynamic environment enables us to perform everyday tasks such as driving, playing team sports, and walking in a crowded mall. Despite more than three decades of literature on MOT tasks, the underlying and intertwined neural mechanisms remain poorly understood. Here we looked at the electroencephalography (EEG) neural correlates and their changes across the three phases of a 3D-MOT task, namely identification, tracking and recall. We observed what seems to be a handoff between focused attention and working memory processes when going from tracking to recall. Our findings revealed a strong inhibition in delta and theta frequencies from the frontal region during tracking, followed by a strong (re)activation of these same frequencies during recall. Our results also showed contralateral delay activity (CDA), a sustained negativity over the hemisphere contralateral to the positions of visual items to be remembered. In order to investigate if the CDA is a robust neural correlate for visual working memory (VWM) tasks, we reproduced eight CDA-related studies with a publicly accessible EEG dataset. We used the raw EEG data from these eight studies and analysed all of them with the same basic pipeline to extract CDA. We were able to reproduce the results from all the studies and show that with a basic automated EEG pipeline we can extract a clear CDA signal. Recently, deep learning (DL) has shown great promise in helping make sense of EEG signals due to its capacity to learn good feature representations from raw data. Whether DL truly presents advantages as compared to more traditional EEG processing approaches, however, remains an open question. In order to address such question, we reviewed 154 papers that apply DL to EEG, published between January 2010 and July 2018, and spanning different application domains such as epilepsy, sleep, brain-computer interfacing, and cognitive and affective monitoring. Finally, we explore the potential for closing the loop and creating a passive BCI with a 3D-MOT task. We classify EEG activity to predict if such activity is happening during the tracking or the recall phase of the 3D-MOT task. We also trained a classifier for lateralized trials to predict if the targets were presented on the left or right hemifield using EEG brain activity. For the phase classification between tracking and recall, we obtained 80% accuracy when training a SVM across subjects using the theta and delta frequency band power from the frontal electrodes and 83% accuracy when training within subjects.

Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Les prodiges musicaux sont des musiciens qui ont atteint un niveau de performance exceptionnel, et ce avant l’adolescence. Les premières études à leur sujet ont été écrites il y a plus de 100 ans. Malgré tout, les données psychologiques sur les prodiges musicaux sont rares. Une des théories influentes concernant l’acquisition de l’expertise est celle de la pratique délibérée, selon laquelle le développement du talent se fait essentiellement avec la pratique. La précocité du talent des prodiges paraît défier cette notion et suggère la présence de prédispositions biologiques. D’autres modèles théoriques proposent une vision davantage multifactorielle du développement de l’expertise. La présente thèse vise à révéler les caractéristiques psychologiques des prodiges en utilisant une méthodologie empirique. L'objectif général est de déterminer en quoi ces musiciens exceptionnels se démarquent des autres. En premier lieu, une étude transversale avait comme objectif de déterminer si la pratique, l’intelligence et la personnalité font des prodiges des musiciens à part. Pour ce faire, nous avons recruté 19 prodiges musicaux et les avons comparés à 35 musiciens qui ont soit débuté leur pratique musicale tôt (vers 6 ans) ou plus tard (vers 10 ans), mais qui ont une quantité similaire d’année d’expérience musicale au moment de l’évaluation, ainsi qu’à 16 non-musiciens. Les participants ont tous complété une échelle d’intelligence de Wechsler, l’inventaire de personnalité du Big Five, le quotient du spectre de l’autisme, le Barcelona Music Reward Questionnaire, le Dispositional Flow Scale, et un historique détaillé de leur pratique musicale. Nos résultats indiquent qu’aucun des traits psychologiques ne distingue les prodiges des autres, hormis la propension à être dans un état de flow lors de la pratique musicale. D’autres aspects différenciant les prodiges étaient l’intensité de leur pratique avant l’adolescence, ainsi que la source de leur motivation lorsqu’ils ont commencé à jouer de leur instrument. En second lieu, nous avons étudié un virtuose de la guitare atteint du syndrome de Gilles de la Tourette, qui apprend très rapidement de nouvelles pièces. Pour ce faire, nous avons comparé sa vitesse d'apprentissage d'une nouvelle pièce à 3 autres guitaristes expérimentés et nous l'avons également comparé à un échantillon contrôle de musiciens (N = 15) sur une variété de tâches; apprentissage musical et verbal, perception musicale, mémoire de travail, QI et propension au flow. La structure et le fonctionnement de son cerveau ont également été analysés à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique. Les résultats indiquent que le prodige peut apprendre davantage de notes que ses pairs en un temps donné, tout en étant plus musical. Celui-ci était également un des meilleurs pour percevoir et apprendre de nouvelles mélodies. Son QI était comparable à ses pairs, mais sa mémoire de travail auditivo-verbale et visuo-spatiale était supérieure à celle de ses pairs et de la population générale. Mis ensemble, nos résultats indiquent que les prodiges musicaux sont caractérisés par une diversité de trajectoires développementales, et que la pratique seule ne fait pas le prodige. Nos résultats sont compatibles avec les modèles multifactoriels de l’expertise. Plusieurs facteurs sont à l’œuvre ; la pratique intensive précoce, le flow, la motivation, et parfois la présence de conditions neurodéveloppementales et d’habiletés musicales et mnésiques supérieures. Les données suggèrent aussi que la douance musicale est un phénomène distinct de la douance intellectuelle. / Musical prodigies attained an exceptionally high level of performance before adolescence. The first studies on musical prodigies were published more than a hundred years ago. Nevertheless, empirical data on musical prodigies is scarce. An influent theory of expertise development is the deliberate practice view, which stipulates that talent is essentially developed through deliberate practice. Prodigies’ talent precocity apparently defies this assumption and suggests biological predispositions. Other theoretical models offer instead a multifactorial viewpoint of expertise development. This thesis aims to reveal musical prodigies’ psychological characteristics using empirical methods. The general goal is to determine on which levels do these extraordinary musicians stand out from their peers. First, a cross-sectional study aimed to determine if practice, intelligence and personality make prodigies stand out from their musician peers. To do so, we recruited 19 musical prodigies and compared them to 35 musicians who began their musical practice early on (around 6 years old) or later (around 10 years old), but who accumulated similar amounts of years of practice at the moment of testing, as well as 16 nonmusicians. Participants were administered a Wechsler intelligence scale, the Big Five personality inventory, the autism spectrum quotient, the Barcelona Music Reward Questionnaire, the Dispositional Flow Scale and the history of their lifetime practice. Results indicate that no psychological traits distinguish prodigies, except propension to experience flow during music practice. The other aspects differentiating prodigies were intense and precocious practice as well as the source of their motivation when they began to play. Second, we studied a guitar virtuoso with a Tourette syndrome who can allegedly learn new pieces very fast. To do so, we compared his learning speed of a new guitar piece to that of 3 other experienced guitarists. We also compared him to a sample of 15 control musicians on a variety of tasks; musical and verbal learning, musical perception, working memory, IQ and propension to experience flow. Brain structure and function was also analysed through magnetic resonance imaging. Results indicate that the prodigy can learn more notes than his peers in a given time, whilst being more musical. He was also better to perceive and learn new melodies. His IQ was comparable to his peers, but his working auditory and visual-spatial working memory were superior to his peers as well as the general population. Together, our results suggest that musical prodigies are characterized by a diversity of developmental trajectory. They also suggest that practice alone does not make a prodigy. Our results support multifactorial models of expertise. Multiple factors are at play ; intensive and precocious practice, flow, motivation, and sometimes neurodevelopmental conditions or particular musical or memory abilities. Data also suggest that musical giftedness and intellectual giftedness are two separate phenomena.

L’objectif principal de cette thèse est d’examiner et d’intervenir auprès des déficits de la mémoire de travail (MdeT) à l’intérieur de deux populations cliniques : la maladie d’Alzheimer (MA) et le trouble cognitif léger (TCL). La thèse se compose de trois articles empiriques. Le but de la première expérimentation était d’examiner les déficits de MdeT dans le vieillissement normal, le TCL et la MA à l’aide de deux versions de l’empan complexe : l’empan de phrases et l’empan arithmétique. De plus, l’effet de «l’oubli» (forgetting) a été mesuré en manipulant la longueur de l’intervalle de rétention. Les résultats aux tâches d’empan complexe indiquent que la MdeT est déficitaire chez les individus atteints de TCL et encore plus chez les gens ayant la MA. Les données recueillies supportent également le rôle de l’oubli à l’intérieur de la MdeT. L’augmentation de l’intervalle de rétention exacerbait le déficit dans la MA et permettait de prédire un pronostic négatif dans le TCL. L’objectif de la deuxième étude était d’examiner la faisabilité d’un programme d’entraînement cognitif à l’ordinateur pour la composante de contrôle attentionnel à l’intérieur de la MdeT. Cette étude a été réalisée auprès de personnes âgées saines et de personnes âgées avec TCL. Les données de cette expérimentation ont révélé des effets positifs de l’entraînement pour les deux groupes de personnes. Toutefois, l’absence d’un groupe contrôle a limité l’interprétation des résultats. Sur la base de ces données, la troisième expérimentation visait à implémenter une étude randomisée à double-insu avec groupe contrôle d’un entraînement du contrôle attentionnel chez des personnes TCL avec atteinte exécutive. Ce protocole impliquait un paradigme de double-tâche composé d’une tâche de détection visuelle et d’une tâche de jugement alpha-arithmétique. Alors que le groupe contrôle pratiquait simplement la double-tâche sur six périodes d’une heure chacune, le groupe expérimental recevait un entraînement de type priorité variable dans lequel les participants devaient gérer leur contrôle attentionnel en variant la proportion de ressources attentionnelles allouée à chaque tâche. Les résultats montrent un effet significatif de l’intervention sur une des deux tâches impliquées (précision à la tâche de détection visuelle) ainsi qu’une tendance au transfert à une autre tâche d’attention divisée, mais peu d’effets de généralisation à d’autres tâches d’attention. En résumé, les données originales rapportées dans la présente thèse démontrent un déficit de la MdeT dans les maladies neurodégénératives liées à l’âge, avec un gradient entre le TCL et la MA. Elles suggèrent également une préservation de la plasticité des capacités attentionnelles chez les personnes à risque de développer une démence. / The principal aim of this dissertation is to investigate and intervene upon working memory (WM) impairments in two clinical populations: Alzheimer’s disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI). The dissertation is comprised of three empirical articles. The goal of the first study was to examine WM impairments in normal aging, MCI and AD using two versions of the complex span task: sentence span and operation span. In addition, the effect of forgetting was assessed by manipulating the length of the retention interval. Results indicate impaired WM on complex spans in MCI and, to a greater extent, in AD. Data also support a role for forgetting within WM. Increasing the retention interval augmented deficit in persons with AD, and showed potential in predicting a negative prognosis in those with MCI. The objective of the second article was to investigate the feasibility of a computerized cognitive training paradigm for the attentional control component of WM in healthy older individuals and those with MCI. Data from this experiment revealed positive effects of the intervention for both groups. However, the absence of a control group limited interpretation of results. Based on those data, the third article aimed to implement a double-blind randomized controlled study of training of attentional control in MCI with executive deficits. This involved a dual-task paradigm comprised of a visual detection task and a visual alpha-arithmetic judgment task. While the control group performed simple dual-task practice over six one-hour sessions, the experimental group received variable-priority training, in which participants managed their attentional control by varying the proportion of attentional resources allocated to each task. Results show a significant effect of intervention on one of the two tasks involved (accuracy on the visual detection task) and a trend for transfer to another task of divided attention, but little generalization to other tasks of attention. In summary, the original data reported in this thesis demonstrates WM impairment in age-related disorders, with a gradient between MCI and AD, and suggest preserved plasticity of attentional capacities in persons at risk of developing dementia.

Si de nombreux travaux ont été consacrés aux représentations spatiales chez le jeune adulte, la nature des modèles spatiaux, les processus qui président à leur construction et la façon dont ils se développent sont encore loin d'être compris. L'originalité de cette thèse tient au fait d'étudier conjointement les composantes cognitives et langagières dans l'acquisition des représentations d'itinéraires virtuels par des enfants (de 5 à 11 ans) et des adultes, ainsi que les différences individuelles liées à des capacités générales variées. Dans une première partie, la thèse présente les principaux concepts de la cognition spatiale issus des travaux menés chez l'adulte ainsi que l'état des connaissances théoriques et empiriques actuelles sur le développement des représentations spatiales chez l'enfant. Un chapitre s'intéresse ensuite au rôle du langage dans la construction des représentations spatiales et un autre à celui de la mémoire de travail. Afin de mieux comprendre le type de représentation qu'un enfant élabore au cours de son développement, une deuxième partie de la thèse présente trois expériences étudiant le développement des connaissances sur les repères et la route. Les deux premières études ont permis d'observer une augmentation qualitative et quantitative de la connaissance des repères, c'est-à-dire des entités spécifiques qui jalonnent un itinéraire, mais également de la connaissance de la succession de ces repères et des directions empruntées. Le rôle particulier des repères situés à un changement de direction est attesté chez l'adulte comme chez l'enfant. L'augmentation de ces connaissances avec l'âge est observée avec des tâches de production et de reconnaissance, aussi bien verbales que non-verbales. Ces résultats suggèrent l'existence d'une seule représentation commune ou de deux formats de représentations fortement reliés. Le lien important entre les informations verbales et non-verbales dans les représentations est attesté par l'observation d'un biais de type sémantique dans la reconnaissance visuelle de repères. Cependant, l'analyse des différences interindividuelles a mis en évidence le rôle de capacités visuo-spatiales telles que la perception des directions, mais pas d'influence des capacités langagières sur la capacité de représentation d'itinéraire. Une troisième étude explore le rôle des composantes verbales et visuo-spatiales de la mémoire de travail dans le développement des représentations spatiales au moyen d'un paradigme de double tâche lors de la mémorisation d'itinéraires. L'implication, notamment de la composante spatiale de la mémoire de travail au cours de la mémorisation d'itinéraire, est mise en évidence chez l'enfant. Ce résultat renforce l'idée de la dominance d'une forme de codage visuo-spatial dans le développement de la représentation qui évoluerait au profit de codages plus verbaux ou mixtes. En conclusion, cette thèse montre le développement de la capacité à se représenter un itinéraire au cours de l'enfance, attesté par des tâches de nature et de format variés. Si cette représentation semble impliquer à la fois des composantes verbales et non-verbales, ces dernières semblent être plus importantes chez l'enfant. La dernière partie de la thèse propose une discussion des implications de ces résultats pour le développement de la cognition spatiale chez l'enfant, ainsi que des perspectives pour les recherches futures. / Although many studies have investigated spatial representation in young adults, little is still known about the processes underlying how they construct spatial models, the nature of these models, and how they develop in children. The originality of this thesis is two-fold: it studies both cognitive and linguistic processes involved in how children (5 to 11 years) and adults construct representation of virtual routes; it also examines individual differences in these processes. The first part of this thesis begins with a chapter that presents the main concepts underlying spatial cognition, as well as some experimental evidence concerning adults' spatial knowledge and the development of this knowledge during childhood. A second chapter then focuses on the role of language and a third one on the role of working memory in the construction of spatial representations. In order to understand how children construct spatial representation during development, a second part of the thesis presents three experiments investigating the development of landmark and route knowledge. The first two studies show developments in the quality and quantity of knowledge concerning both landmarks (i.e. specific entities encountered along the route) and the route (i.e. the sequential order of actions and landmarks). They also provide evidence supporting the specific role of landmarks associated with changes of direction ("decisional" landmarks) in children and adults. Developmental changes in spatial knowledge were assessed by both verbal and non-verbal measures, suggesting the existence of a unique representation or of two representations that are strongly related. The relation between verbal and non-verbal information in participants' representations is evidenced by their bias toward choosing a related landmark of the same semantic category, regardless of its visual characteristics. Nevertheless, analyses show that visuo-spatial abilities such as the perception of directions, but not verbal abilities, play a main role in accounting for individual differences. The third study, investigates verbal and visuo-spatial components of working memory, using a dual task paradigm in which participants performed a verbal or spatial interference task while memorizing routes. The results support the idea that representing itineraries mostly involves a spatial mode of encoding in children and a more verbal or mixed encoding in adults. To conclude, this thesis shows a development in children's capacity to build spatial representations of virtual routes. Although their representation seems to integrate both verbal and non-verbal components, non-verbal abilities appear to be most essential for children. The last part of the thesis discusses the implications of our results for our understanding of the development of spatial cognition in children, as well as future perspectives and conclusions.

La vision fournit des informations essentielles sur la surface de marche, ainsi que sur la taille, la forme et la position d’obstacles potentiels dans notre environnement. Dans le cas d’un prédateur, la vision fournit également des informations sur la vitesse d’une proie potentielle. Les mécanismes neuronaux impliqués dans l’exécution des modifications de la marche sous guidage visuel sont relativement bien connus, mais ceux impliqués dans la planification de ces modifications de la marche sont peu étudiés. Le cortex pariétal postérieur (CPP) semble être un candidat approprié si l’on considère les propriétés du CPP lors des mouvements d’atteinte vers une cible. Le but des présents travaux est de déterminer la contribution du CPP au contrôle de la locomotion sous guidage visuel. La première étude présentée dans cette thèse a pour hypothèse que le CPP du chat est impliqué dans la planification du placement précis du pied lors des modifications volontaires de la marche. Nous avons entraîné les animaux à enjamber des obstacles en mouvement attachés à la ceinture d’un tapis roulant. Afin d’augmenter la nécessité d’intégrer les informations visuelles et proprioceptives, nous avons dissocié la vitesse des obstacles de celle du tapis roulant. Nous avons observé que plus la vision devient critique pour la tâche, plus les déficits sont importants. Notre analyse démontre que ceux-ci résultent d’un placement inapproprié du pied dans le cycle de marche précédant l’enjambement de l’obstacle. Ceci suggère que le CPP est impliqué dans la planification du placement précis du pied pendant la locomotion sous guidage visuel. La vision directe est disponible lors de la modification de l’activité des membres antérieurs, mais n’est plus disponible lorsque l’obstacle passe sous le corps. Par conséquent, la modification de l’activité des membres postérieurs doit être basée sur l’information gardée en mémoire et coordonnée avec celle des membres antérieurs. Notre deuxième étude a pour but de caractériser les mécanismes neuronaux responsables de cette coordination. Nous avons proposé que le CPP soit impliqué dans la coordination des membres antérieurs et postérieurs lors de l’enjambement d’obstacles. Pour tester cette hypothèse, nous avons enregistré l’activité de neurones de l’aire 5 pendant la même tâche. Nous avons découvert deux populations: une qui décharge lors du passage de l’obstacle entre les membres antérieurs et postérieurs et une autre qui décharge lors du passage de l’obstacle par les membres postérieurs. Dans la tâche de dissociation visuelle, la décharge est modifiée en fonction du temps de passage de l’obstacle sous le corps et reflète la modification du couplage entre les membres lors du changement dans la stratégie d’enjambement. De plus, ces mêmes neurones maintiennent une décharge soutenue lorsqu’un obstacle fixe se trouve entre les membres antérieurs et postérieurs ou les deux membres postérieurs (limite testée : 1-2min). Ces neurones pourraient être responsables de l’emmagasinage à plus long terme des caractéristiques d’un obstacle pour le guidage des mouvements des membres postérieurs. Nos résultats suggèrent que le CPP est impliqué dans l’intégration des informations visuelles et proprioceptives pour la planification du placement précis du pied devant un obstacle. Le patron de décharge de nos populations neuronales suggère qu’il encode également l’information temporelle et spatiale concernant la vitesse et la position de l’obstacle afin de coordonner l’activité des quatre membres pendant la tâche. Finalement, nous proposons qu’une des fonctions du CPP soit d’estimer la position des membres par rapport à l’obstacle en mouvement. / During locomotion, vision provides crucial information about the type of terrain one walks on, as well as the size, shape and location of possible obstacles in the path. In the case of a predator, vision also provides information about the speed of a potential prey. The neuronal mechanisms involved in the execution of visually guided gait modifications are now well studied, but those related to their planning remain poorly understood. One likely candidate involved in movement planning is the posterior parietal cortex (PPC). Based on a consideration of the properties of the PPC in visually-guided reaching, the present study was designed to determine the contribution of the PPC to the control of visually-guided locomotion. In the first study presented in this thesis, we hypothesize that the cat PPC is involved in the planning of precise foot placement during voluntary gait modifications. We trained animals to step over moving obstacles attached on a treadmill belt before and after a lesion to area 5. To increase the need for visual and proprioceptive integration, we dissociated the speed of the obstacles from that of the treadmill. We noticed that deficits were largest when the importance of vision was the greatest. Our analysis showed that the deficits were due to inappropriate paw placement prior to the step over the obstacle and thus suggests that the PPC is involved in the planning of precise paw placement during visually-guided locomotion. Direct visual information is available to guide forelimb gait modifications, but is lost when the obstacle passes under the body. Therefore, hindlimb gait modifications must rely on remembered information and must be coordinated with those of the forelimbs. Our second study is designed to determine the neuronal mechanisms responsible for this coordination. We propose that the PPC is responsible for coordinating the activity of the forelimbs and the hindlimbs during obstacle negotiation. To test this hypothesis, we recorded the activity of area 5 neurones in the same task and found two cell populations: one that discharged in relation to the passage of the obstacle between the fore and hindlimbs, and the other between the two hindlimbs. In the visual dissociation task, the discharge was modified to account for the increased time taken by the obstacle to pass under the body and the change in interlimb coupling when cats modified their stepping strategy during the step over the obstacle. We also found that these same cells maintained their discharge when the cat straddled an obstacle either between the fore and hindlimbs or between the two hindlimbs. The discharge was sustained up to the limit tested (~ 1-2min). These neurones could be responsible for the retention of obstacles characteristics to guide future hindlimb movements. Our results provide support for the hypothesis that the PPC is involved in the integration of visual and proprioceptive information for the planning of precise paw placement in front of obstacles. The discharge of our neuronal populations suggests it also encodes temporal and spatial information regarding obstacle’s location and speed to coordinate all four limbs during the task. Finally, we propose that one function of the PPC is to estimate the position of the limbs with respect to the advancing obstacle.

L’objectif principal de cette thèse était de quantifier et comparer l’effort requis pour reconnaître la parole dans le bruit chez les jeunes adultes et les personnes aînées ayant une audition normale et une acuité visuelle normale (avec ou sans lentille de correction de la vue). L’effort associé à la perception de la parole est lié aux ressources attentionnelles et cognitives requises pour comprendre la parole. La première étude (Expérience 1) avait pour but d’évaluer l’effort associé à la reconnaissance auditive de la parole (entendre un locuteur), tandis que la deuxième étude (Expérience 2) avait comme but d’évaluer l’effort associé à la reconnaissance auditivo-visuelle de la parole (entendre et voir le visage d’un locuteur). L’effort fut mesuré de deux façons différentes. D’abord par une approche comportementale faisant appel à un paradigme expérimental nommé double tâche. Il s’agissait d’une tâche de reconnaissance de mot jumelée à une tâche de reconnaissance de patrons vibro-tactiles. De plus, l’effort fut quantifié à l’aide d’un questionnaire demandant aux participants de coter l’effort associé aux tâches comportementales. Les deux mesures d’effort furent utilisées dans deux conditions expérimentales différentes : 1) niveau équivalent – c'est-à-dire lorsque le niveau du bruit masquant la parole était le même pour tous les participants et, 2) performance équivalente – c'est-à-dire lorsque le niveau du bruit fut ajusté afin que les performances à la tâche de reconnaissance de mots soient identiques pour les deux groupes de participant. Les niveaux de performance obtenus pour la tâche vibro-tactile ont révélé que les personnes aînées fournissent plus d’effort que les jeunes adultes pour les deux conditions expérimentales, et ce, quelle que soit la modalité perceptuelle dans laquelle les stimuli de la parole sont présentés (c.-à.-d., auditive seulement ou auditivo-visuelle). Globalement, le ‘coût’ associé aux performances de la tâche vibro-tactile était au plus élevé pour les personnes aînées lorsque la parole était présentée en modalité auditivo-visuelle. Alors que les indices visuels peuvent améliorer la reconnaissance auditivo-visuelle de la parole, nos résultats suggèrent qu’ils peuvent aussi créer une charge additionnelle sur les ressources utilisées pour traiter l’information. Cette charge additionnelle a des conséquences néfastes sur les performances aux tâches de reconnaissance de mots et de patrons vibro-tactiles lorsque celles-ci sont effectuées sous des conditions de double tâche. Conformément aux études antérieures, les coefficients de corrélations effectuées à partir des données de l’Expérience 1 et de l’Expérience 2 soutiennent la notion que les mesures comportementales de double tâche et les réponses aux questionnaires évaluent différentes dimensions de l’effort associé à la reconnaissance de la parole. Comme l’effort associé à la perception de la parole repose sur des facteurs auditifs et cognitifs, une troisième étude fut complétée afin d’explorer si la mémoire auditive de travail contribue à expliquer la variance dans les données portant sur l’effort associé à la perception de la parole. De plus, ces analyses ont permis de comparer les patrons de réponses obtenues pour ces deux facteurs après des jeunes adultes et des personnes aînées. Pour les jeunes adultes, les résultats d’une analyse de régression séquentielle ont démontré qu’une mesure de la capacité auditive (taille de l’empan) était reliée à l’effort, tandis qu’une mesure du traitement auditif (rappel alphabétique) était reliée à la précision avec laquelle les mots étaient reconnus lorsqu’ils étaient présentés sous les conditions de double tâche. Cependant, ces mêmes relations n’étaient pas présentes dans les données obtenues pour le groupe de personnes aînées ni dans les données obtenues lorsque les tâches de reconnaissance de la parole étaient effectuées en modalité auditivo-visuelle. D’autres études sont nécessaires pour identifier les facteurs cognitifs qui sous-tendent l’effort associé à la perception de la parole, et ce, particulièrement chez les personnes aînées. / The primary objective of the current thesis was to quantify and compare the amount of listening effort that young and older, normal-hearing adults with normal (or corrected normal) vision expend when speech is presented in background noise. Listening effort refers to the attentional and cognitive resources required to understand speech. Study 1 was designed to determine the listening effort associated with auditory speech recognition (hearing a speaker) whereas Study 2 examined the listening effort involved with audiovisual speech recognition (hearing and seeing the face of a speaker). Listening effort was assessed behaviourally, using a dual task paradigm where a word recognition task was paired with a tactile pattern recognition task and, with self-reported ratings. Both measures of listening effort were assessed under two experimental conditions: 1) equated level - where the level of background noise was the same for all participants and, 2) equated performance - where single task word recognition performance did not differ between groups. The tactile task costs revealed that older adults expended more listening effort than young adults for both experimental conditions regardless of the perceptual modality in which the speech stimuli were presented (i.e., audio-only and audiovisual). Overall, the cost involved with tactile task performance was highest for older adults when speech was presented audiovisually. While visual cues can improve audiovisual speech recognition our results suggest they can also place an extra demand on processing resources with performance consequences for the word and tactile tasks under dual task conditions. Consistent with the literature, the correlation findings of Study 1 and Study 2 support the idea that dual task measures and self-reported ratings each assess different aspects of listening effort. As listening effort draws upon auditory and cognitive factors, the purpose of Study 3 was to determine to what extent the separate components of auditory working memory (capacity and processing) contribute towards the variance observed in listening effort and to determine if the pattern of working memory predictor variables changes with age. Results of a sequential regression analysis for young adults indicated that a measure of auditory capacity (span size) was related to listening effort whereas a measure of auditory processing (alphabetical recall) was related to the cost associated with word recognition accuracy performance under dual task conditions. However, these relationships did not extend to older adults or to the data obtained when the speech recognition tasks were performed audiovisually. Further research is required to determine what cognitive factors underlie listening effort – especially for older adults.

L’objectif principal de cette thèse était d’obtenir, via l’électrophysiologie cognitive, des indices de fonctionnement post-traumatisme craniocérébral léger (TCCL) pour différents niveaux de traitement de l’information, soit l’attention sélective, les processus décisionnels visuoattentionnels et les processus associés à l’exécution d’une réponse volontaire. L’hypothèse centrale était que les mécanismes de production des lésions de même que la pathophysiologie caractérisant le TCCL engendrent des dysfonctions visuoattentionnelles, du moins pendant la période aiguë suivant le TCCL (i.e. entre 1 et 3 mois post-accident), telles que mesurées à l’aide d’un nouveau paradigme électrophysiologique conçu à cet effet. Cette thèse présente deux articles qui décrivent le travail effectué afin de rencontrer ces objectifs et ainsi vérifier les hypothèses émises. Le premier article présente la démarche réalisée afin de créer une nouvelle tâche d’attention visuospatiale permettant d’obtenir les indices électrophysiologiques (amplitude, latence) et comportementaux (temps de réaction) liés aux processus de traitement visuel et attentionnel précoce (P1, N1, N2-nogo, P2, Ptc) à l’attention visuelle sélective (N2pc, SPCN) et aux processus décisionnels (P3b, P3a) chez un groupe de participants sains (i.e. sans atteinte neurologique). Le deuxième article présente l’étude des effets persistants d’un TCCL sur les fonctions visuoattentionelles via l’obtention des indices électrophysiologiques ciblés (amplitude, latence) et de données comportementales (temps de réaction à la tâche et résultats aux tests neuropsychologiques) chez deux cohortes d’individus TCCL symptomatiques, l’une en phase subaigüe (3 premiers mois post-accident), l’autre en phase chronique (6 mois à 1 an post-accident), en comparaison à un groupe de participants témoins sains. Les résultats des articles présentés dans cette thèse montrent qu’il a été possible de créer une tâche simple qui permet d’étudier de façon rapide et peu coûteuse les différents niveaux de traitement de l’information impliqués dans le déploiement de l’attention visuospatiale. Par la suite, l’utilisation de cette tâche auprès d’individus atteints d’un TCCL testés en phase sub-aiguë ou en phase chronique a permis d’objectiver des profils d’atteintes et de récupération différentiels pour chacune des composantes étudiées. En effet, alors que les composantes associées au traitement précoce de l’information visuelle (P1, N1, N2) étaient intactes, certaines composantes attentionnelles (P2) et cognitivo-attentionnelles (P3a, P3b) étaient altérées, suggérant une dysfonction au niveau des dynamiques spatio-temporelles de l’attention, de l’orientation de l’attention et de la mémoire de travail, à court et/ou à long terme après le TCCL, ceci en présence de déficits neuropsychologiques en phase subaiguë surtout et d’une symptomatologie post-TCCL persistante. Cette thèse souligne l’importance de développer des outils diagnostics sensibles et exhaustifs permettant d’objectiver les divers processus et sous-processus cognitifs susceptible d’être atteints après un TCCL. / The main objective of this thesis was to obtain, using cognitive electrophysiology, biomarkers of mild traumatic brain injury (TBI) for different levels of information processing such as selective attention, visuo-attentional decision making and processes associated with the execution of a deliberate response. The fundamental assumption was that the lesion-producing mechanisms as well as the pathophysiology associated with mTBI leads to visuo-attentional dysfunctions, at least during the sub-acute period following the mTBI (i.e. between 1 and 3 months post-trauma), as measured by a novel electrophysiological paradigm developed for this purpose. This thesis presents two articles describing the work accomplished to meet these objectives, and verify the underlying assumptions. The first article presents the approach used to create a novel visuo-spatial attention task enabling the identification of electrophysiological (amplitude, latency) and behavioural (reaction time) indexes related to early visual and attentional processing (P1, N1, N2-nogo, P2, Ptc), selective visual attention (N2pc, SPCN) and decision-making processes (P3b, P3a) in a group of normal participants (i.e. without neurological injury). The second article presents a study of the persisting effects of a mTBI on visuo-attentional functions through the identification of targeted electrophysiological markers (amplitude, latency), and from behavioural data (task-related reaction time and neuropsychological tests results) in two cohorts of symptomatic mTBI individuals, one during the sub-acute phase (3 first months post-injury), the other during the chronic phase (6 months to 1 year post-injury), in comparison to a group of normal control participants. The results presented in this thesis indicate that it was has been possible to create a simple, rapid and low-cost task enabling the study of the various levels of information processing involved in the deployment of visuospatial attention. Subsequently, the use of this task in patients with mTBI tested during the sub-acute phase or the chronic phase allowed to identify differential impairment and recovery profiles for each of the components studied. Indeed, while the early components associated with early visual information processing (P1, N1, N2) were intact, certain attentional (P2) and cognitive-attentionnal (the P3a, P3b) components were affected, suggesting dysfunction in the spatio-temporal dynamics of attention, orientation of attention, and working memory, in the short- and/or long-term following mTBI, this is the presence of neuropsychological deficits mostly in the sub-acute phase and of persisting post-mTBI symptomatology. This thesis emphasizes the importance of developing sensitive and comprehensive diagnostic tools allowing to objectively identify the various cognitive processes and sub-processes that are likely to be affected after a mTBI.